基于Linux和s3C2440的GPC控制器設(shè)計(jì)

    近年來(lái)，基于Internet的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外測(cè)控領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，在石油勘探開(kāi)發(fā)、鋼鐵化工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。而控制器的設(shè)計(jì)和研發(fā)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心。在一些地域高度分散以及環(huán)境惡劣的控制現(xiàn)場(chǎng)，使用嵌入式系統(tǒng)作為控制器節(jié)點(diǎn)，可更有利于多點(diǎn)分布式綜合布控及并行處理，實(shí)現(xiàn)更好的測(cè)控效果。然而由于網(wǎng)絡(luò)傳輸本身的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延會(huì)不可避免地影響網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制性能和穩(wěn)定性，因此本文提出基于S3C2440A及嵌入式Linux的GPC(Generalized PredictiveControl)控制器的設(shè)計(jì)方案，具有一定的通用性。

1 控制器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
    控制器節(jié)點(diǎn)是嵌入式網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的中心。在測(cè)控系統(tǒng)中，主控制器承擔(dān)著控制算法的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)采集兩大任務(wù)，這要求控制器節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)有更強(qiáng)的計(jì)算能力，以及更好的網(wǎng)絡(luò)性能。本文中控制器的硬件平臺(tái)采用三星公司的S3C2440，外圍設(shè)備主要有RAM、Flash等?？刂破鞯挠布脚_(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    (1)S3C2440處理器簡(jiǎn)介
    本系統(tǒng)采用三星公司的16／32位RISC微處理器S3C2440AL作為控制器核心。S3C2440AL的一大特點(diǎn)是其核心處理器(CPU)采用16／32位ARM920T的RISC微處理器。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA BUS和Har-vard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)資源和外圍接口豐富，包括電源管理器、外部存儲(chǔ)器控制器、4通道DMA、3通道UART、8路10位ADC和GPIO等。
    (2)外圍電路簡(jiǎn)介
    控制器外圍電路主要由存儲(chǔ)器電路模塊、通信模塊以及JTAG調(diào)試電路等構(gòu)成。其中存儲(chǔ)器電路模塊采用2片HY57V561620FTP芯片作為外擴(kuò)SDRAM；采用1片SST39VF1601(2 MB)芯片作為NOR Flash，用于存放bootloader程序；采用1片K9F1208芯片(64 MB)作為NAND Flash，用于存放操作系統(tǒng)以及文件系統(tǒng)。在通信模塊中采用DM9000網(wǎng)卡芯片和網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911103A，以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)；同時(shí)設(shè)計(jì)了USBhost接口電路，為下一步實(shí)現(xiàn)WLAN通信提供接口。A／D和D／A接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制信號(hào)的發(fā)出。

2 控制器軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)
2．1 軟件平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)
    控制器節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中最底層為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?，主要進(jìn)行處理器初始化和驅(qū)動(dòng)各外設(shè)電路模塊；第2層為嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要管理系統(tǒng)的軟硬件資源、上層應(yīng)用，以及操作底層驅(qū)動(dòng)接口；第3層為Web服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)控制器的：Browser／Server訪問(wèn)控制；第4層為應(yīng)用程序，主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、GPC控制算法和時(shí)鐘同步應(yīng)用程序。
2．2 bootloader的配置和編譯
    首先在宿主機(jī)的Linux下建立arm-linux-gcc-2．95．3交叉編譯環(huán)境，將vivi．tgz解壓縮到Linux的相應(yīng)目錄下，進(jìn)入vivi目錄，執(zhí)行make menuconfig命令進(jìn)入vivi配置界面，對(duì)vivi的參數(shù)進(jìn)行配置。完成配置之后，進(jìn)行編譯，此時(shí)已經(jīng)在當(dāng)前目錄下生成了vivi?？墒褂肏-JTAG將vivi燒寫(xiě)到NAND Flash運(yùn)行。
2．3 Linux的移植
    (1)編譯Linux內(nèi)核
    首先在宿主機(jī)的Linux下建立arm-linux-gcc-3．4．1交叉編譯環(huán)境，然后將Liunx-2．6．13．tgz解壓縮到Linux的某一目錄下，執(zhí)行make menuconfig命令進(jìn)入內(nèi)核配置界面，定制Linux內(nèi)核，包括配置CPU選項(xiàng)、網(wǎng)卡聲卡驅(qū)動(dòng)、串口、對(duì)yaffs文件系統(tǒng)的支持等選項(xiàng)。完成定制之后，保存設(shè)置退出。然后對(duì)內(nèi)核進(jìn)行編譯，即可生成內(nèi)核映像文件zImage。
    (2)制作yaffs文件系統(tǒng)
    制作yaffs文件系統(tǒng)映像需要使用mkyaffsimage工具程序。首先將其解壓縮到／usr／sbin目錄下，然后將文件系統(tǒng)解壓縮到Linux某一目錄下，此時(shí)用戶可以將自己編寫(xiě)的應(yīng)用程序或其他文件添加到文件系統(tǒng)中。添加完畢后使用mkyaffsimage命令即可得到root．img鏡像文件。最后可使用H-JTAG將生成的映像文件燒寫(xiě)到NAND Flash運(yùn)行。
2．4 Boa服務(wù)器的移植和構(gòu)建
    在網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)中，每個(gè)測(cè)控節(jié)點(diǎn)都需要使用Web瀏覽器進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)交互。Web服務(wù)器作為一個(gè)數(shù)據(jù)載體，可以將本地的信息和數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給遠(yuǎn)端發(fā)出請(qǐng)求的客戶，這對(duì)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)有重要意義。因此Web Server的移植成為一項(xiàng)必不可少的工作。Boa的優(yōu)點(diǎn)在于其源代碼開(kāi)放、性能好和可靠性高。本文中Web Server的構(gòu)建也是基于Boa展開(kāi)的。
    首先在官方網(wǎng)站上下載Boa的源碼boa-0．94．13．tar．gz，解壓縮到Linxu宿主機(jī)的某一目錄下，然后進(jìn)入src目錄，執(zhí)行．／congfig命令，生成Makefile．in文件。由于生成的Makefile文件是針對(duì)X86平臺(tái)的，為了生成能夠在ARM上運(yùn)行的Boa，需要修改Makefile文件。找到CC=gcc，CPP=gcc-E這兩行，并修改為CC=arm-linux-gcc，CPP=arm-linux-gcc-E；然后使用make命令進(jìn)行編譯，編譯成功后會(huì)在src目錄下生成1個(gè)可運(yùn)行在ARM平臺(tái)下的Boa可執(zhí)行文件，然后將編譯好的Boa程序放入，／sbin目錄下。
    在目標(biāo)板上運(yùn)行Boa之前，還需要對(duì)boa．conf文件進(jìn)行配置。boa．conf文件主要包含的boa基本參數(shù)：Port，boa服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)的端口；User，連接到服務(wù)器的客戶端的身份；DocumentRoot，HTML文件的根目錄。用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢后進(jìn)入sbin目錄，直接運(yùn)行Boa就可以直接啟動(dòng)Web服務(wù)器。

3 GPC算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    廣義預(yù)測(cè)控制算法是Clarke等人于1987年提出的。該算法在保留了DMC、MAC等算法中多步預(yù)測(cè)優(yōu)化策略的基礎(chǔ)上，同時(shí)借鑒了最小方差自校正控制中的模型預(yù)測(cè)、最小方差控制、在線辨識(shí)的思想。因此對(duì)模型精度要求低，對(duì)變時(shí)滯的對(duì)象具有較強(qiáng)的魯棒性，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用和重視。本文采用GPC算法解決時(shí)延問(wèn)題。
3．1 GPC算法
    在GPC中，采用最小方差控制中使用的受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型(CARIMA)來(lái)描述被控對(duì)像，即
   
    式中z-1是后移算子，表示后退1個(gè)采樣周期的相應(yīng)量；A(z-1)，B(z-1)，C(z-1)為后移算子z-1的多項(xiàng)式。y(k)為系統(tǒng)輸出，u(k)為控制輸出。ξ(t)是均值為0、方差為0的白噪聲序列，表示一類隨機(jī)噪聲的影響?！鳛椴罘炙阕樱摇?1-z-1。一般，令C(z-1)=1。為了便于研究，在不影響系統(tǒng)算法研究的前提下，令系統(tǒng)為SISO系統(tǒng)。GPC算法的目標(biāo)函數(shù)中引入了控制增量加權(quán)參數(shù)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。其目標(biāo)函數(shù)為
    
    其中，E為數(shù)學(xué)期望；ω(k十i)為輸人參考軌跡，N1、N2分別為優(yōu)化時(shí)域的初始值和終值，NU為控制時(shí)域，λ(j)為大于零的控制增量加權(quán)系數(shù)。廣義預(yù)測(cè)控制算法問(wèn)題最終歸結(jié)為：通過(guò)遞推求解Diophanfine方程，求出最優(yōu)控制增量△U，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值。
3．2 MatIab仿真及生成目標(biāo)代碼
    RTW是Matlab提供的代碼自動(dòng)生成工具，可使Simulink模型自動(dòng)生成面向不同目標(biāo)的代碼。目前通過(guò)Matlab／RTW可生成在PC、ARM等設(shè)備上運(yùn)行的代碼，以及在Windows、Linux等系統(tǒng)上運(yùn)行的可執(zhí)行文件。利用RTW自動(dòng)生成代碼，可使工程師專注于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，減輕編程工作量，加快產(chǎn)品研發(fā)的速度。GPC算法的仿真和調(diào)試是在Matlab7．0環(huán)境下，利用MPC工具箱，編制了相應(yīng)程序而實(shí)現(xiàn)。由于Matlab中，m語(yǔ)言無(wú)法直接移植到嵌入式控制器中，因此先要用simulink構(gòu)建系統(tǒng)模型，然后再用Real-Time Workshop自動(dòng)生成面向ARM平臺(tái)的C代碼。
    利用RTW自動(dòng)生成代碼的實(shí)驗(yàn)步驟如下：
    ①用Matlab的m語(yǔ)言編寫(xiě)GPC算法程序，仿真通過(guò)后，封裝成Simulink仿真框圖，并建立GPC控制系統(tǒng)模型Model．mdl。
    ②在Simulink窗口中，選擇Simulink|Configuration Parameters選項(xiàng)，對(duì)solvet option、Data Import／Export等進(jìn)行設(shè)置。
    ③選中Generate code only復(fù)選框，單擊build，代碼自動(dòng)生成。
    ④整合底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)、用戶定義的函數(shù)以及自動(dòng)生成的GPC程序，編譯生成目標(biāo)文件。
    從圖3可以看出，在伴有隨機(jī)擾動(dòng)的二價(jià)系統(tǒng)中，基于GPC算法的控制器的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都比較小，且上升時(shí)間快，表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。這和GPC算法多步預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化的特點(diǎn)是分不開(kāi)的。

結(jié) 語(yǔ)
    本文成功構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化控制器節(jié)點(diǎn)的軟硬件平臺(tái)，并通過(guò)Matlab／RTW半實(shí)物仿真的方法，實(shí)現(xiàn)了GPC算法的快速移植，對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲進(jìn)行了補(bǔ)償。該測(cè)控平臺(tái)應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，適用于基于Ethernet的嵌入式Web控制器，滿足遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制需求，具有一定的應(yīng)用前景。